Мыльные пузыри - [13]

Рис. 26.

Это та же самая форма, что и у боковой поверхности мыльного пузыря, образованного между двумя кольцами и открытого на концах доступу воздуха.

Может случиться, что кривизны, измеренные вдоль двух взаимно перпендикулярных линий, не равны и противоположны, как у только что рассмотренного катеноида; тогда, если поверхность имеет натяжение, подобное поверхностному натяжению воды, давление окажется бóльшим на более вогнутой стороне, причем оно прямо пропорционально разности между двумя кривизнами. Эти соображения дают нам ключ к решению проблемы о точной форме капли воды (рис. 2) или спирта. Давление внутри определенного количества жидкости возрастает постепенно сверху вниз, подобно тому как в море давление возрастает по мере опускания вглубь. Форма капли такова, что на каком-нибудь уровне полная кривизна, определенная, как было указано выше, т. е. сумма или разность кривизн, измеренных в двух взаимно перпендикулярных направлениях (сумма, если их центры лежат по одну сторону поверхности, или разность, если по обеим сторонам), пропорциональна расстоянию от уровня воды или спирта. Вода — более тяжелая жидкость, а потому капли ее должны были бы быть сами по себе меньше, но, с другой стороны, ее поверхностное натяжение превосходит поверхностное натяжение спирта, так что в результате капли воды оказываются крупнее капель спирта.

Мы нашли, что давление внутри короткого цилиндра уменьшается, если у него начинает образовываться перехват, и, наоборот, увеличивается, когда стенки цилиндра выпячиваются. Попробуем теперь уравновесить два пузыря: один с перехватом, а другой с раздутыми стенками. Как только я открываю кран и даю возможность воздуху переходить из одного пузыря в другой, раздутый пузырь перегоняет воздух в пузырь с перехватом и оба они становятся прямыми. На рис. 27 направление движения воздуха, а также стенок пузырей, обозначено стрелками.

Рис. 27.

Произведем теперь тот же самый опыт с двумя гораздо более длинными цилиндрами, у которых длина, примерно, в два или три раза больше диаметра. Вот они и готовы: один с раздутыми стенками, а другой с перехватом посредине. Я открываю кран и даю воздуху возможность переходить из одного в другой. Что же оказывается? Пузырь с перехватом сжимается и раздувает другой еще сильнее (рис. 28), пока, наконец, сам не разделится пополам.

Рис. 28.

Таким образом, он ведет себя прямо противоположно тому, как действовал короткий цилиндр. Если вы станете испытывать несколько цилиндров различной длины, вы убедитесь, что перемена эта происходит как раз у тех цилиндров, у которых длина ровно в полтора раза больше диаметра. Если теперь вы вообразите, что один из этих цилиндров соединяется концом с другим, вы увидите, что цилиндр, у которого длина в три раза превосходит диаметр, может существовать лишь мгновенье; причина в том, что, как только один конец чуть-чуть сожмется, давление здесь возрастает и узкий конец начинает вдувать воздух в широкий конец (рис. 29), пока стенки узкого конца не соприкоснутся.

Рис. 29.

Точная длина самого длинного устойчивого цилиндра немногим больше трех его диаметров. Цилиндр становится неустойчивым как раз в тот момент, когда длина его становится равной окружности, а это почти в точности соответствует величине в 3 1/7 его диаметра.

Я постепенно раздвигаю эти кольца, поддерживая приток воздуха, и вы видите, что, как только длина трубки становится приблизительно в три раза больше ее диаметра, оказывается очень трудным поддерживать ее, и вот вдруг образуется перехват ближе к одному концу и трубка разрывается, образуя два отдельных неравных пузыря.

Мыльный пузырь обладает натяжением и всегда принимает такую форму, чтобы его поверхность стала возможно меньшей, поскольку это допускается условиями, а именно — содержащимся в нем воздухом и формой твердой опоры, которая поддерживает пузырь. Очевидно, что это дает нам возможность установить, увеличивает или уменьшает данное изменение формы общую поверхность. Остановимся, например, на только что рассмотренном цилиндре, опирающемся на два кольца и содержащем достаточно воздуха; если длина его меньше 3 1/7 диаметра, тогда сужение одного конца и расширение другого увеличивают общую поверхность. Это мы знаем потому, что мыльный пузырь такой формы может существовать. Пузырь длиной больше 3 1/7 диаметра не может существовать. Следовательно, движение, ведущее к образованию на одном конце перехвата и раздутия на другом, как бы мало оно ни было, ведет к уменьшению поверхности; пузырь уже не возвратится к прежнему положению, но это уменьшение поверхности будет идти все дальше, пока пузырь не разорвется, как мы уже видели. Как раз при критической длине в 3 1/7 диаметра небольшому такому движению соответствует крайне малое изменение поверхности. Пузырь или сопротивляется с очень небольшой силой, или способствует этому движению. Такие пузыри называются очень малоустойчивыми или просто неустойчивыми. Подобный пузырь может быть использован для изучения таких малых сил, действующих на находящийся внутри него газ, каких мы не подметили бы у пузыря более стойкой формы, например у обыкновенного шарообразного мыльного пузыря. Вот тут я выдуваю сферический пузырь с помощью чистого кислорода и помещаю этот пузырь между двумя полюсами электромагнита, т. е. куска мягкого железа, который превращается в магнит только при пропускании по обвивающей его изолированной проволоке электрического тока (рис. 30).